Tunable Chern superconductivity of PtBi$_2$ in slab geometry

في سعيها لبناء الجيل القادم من الحواسيب الكمومية، تبحث مجموعة من العلماء عن نوع محدد للغاية من المواد: مادة توصل الكهرباء دون مقاومة، وتضم في الوقت نفسه نظاماً خفياً وقوياً. يُعرف هذا الحال المراوغ باسم الموصلية الفائقة الطوبولوجية. وبخلاف الموصلات الفائقة العادية، التي تسمح فقط للإلكترونات بالتدفق بحرية، تمتلك هذه المواد الغريبة بنية داخلية فريدة تحمي حالاتها الكمومية من التشتت بسهولة بسبب الضجيج أو الشوائب. ويكمن مفتاح هذه الحماية في سلوك الإلكترونات عند سطح المادة. ففي الموصل الفائق الطوبولوجي، يكون الداخل عازلاً مثالياً، لكن الحواف تستضيف جسيمات خاصة تسمى "أنماط مايورانا" (Majorana modes). وهذه ليست مجرد إلكترونات عادية؛ بل هي جسيمات مضادة لنفسها وهي مستقرة للغاية، مما يجعلها مرشحة مثالية لتخزين المعلومات الكمومية. ولعقود من الزمن، تطلب إنشاء مثل هذه الحالة تجهيزات معقدة تتضمن مجالات مغناطيسية خارجية أو طبقات من مواد مختلفة. ومع ذلك، قبل بضع سنوات، ظهرت مادة تسمى البلاتين والبزموت، أو PtBi2، كمرشح واعد قد يحقق هذه الحالة بشكل طبيعي، دون الحاجة إلى مثل هذه الهندسة المعقدة.

إن التحدي الذي يواجه PtBi2 هو أنه بلورة ثلاثية الأبعاد ذات بنية داخلية معقدة. ففي الداخل، تعمل كمعدن "وايل" شبه معدني (Weyl semimetal)، وهي حالة من المادة تسلك فيها الإلكترونات سلوكاً وكأنها عديمة الكتلة وتتحرك في أنماط تشبه المخاريط عبر مشهد الطاقة. وتتصل هذه المخاريط بمسارات سطحية تُعرف باسم "أقواس فيرمي" (Fermi arcs). وعند تبريد المادة إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، تصبح أسطحها فائقة التوصيل، بينما يظل داخلها معدنياً. ولتسخير إمكانات هذه المادة في التكنولوجيا الكمومية، احتاج الباحثون إلى فهم كيفية عزل والتحكم في الموصلية الفائقة السطحية دون تداخل المعدن الموجود في الكتلة. وفي دراسة جديدة، استخدم فريق من الفيزيائيين محاكاة حاسوبية لنمذجة شريحة رقيقة من هذه المادة لمعرفة كيف تتغير خصائصها عند تقليل سمكها. ووجدوا أنه بمجرد جعل المادة أرق، يمكنهم فعلياً إيقاف تشغيل المعدن الداخلي، تاركين وراءهم فقط الحالات السطحية المذهلة. وقد سمح لهم ذلك باستكشاف كيفية التبديل بين حالة عادية "بدائية" وحالة طوبولوجية تستضيف الأنماط الحافية المحمية المطلوبة.

بنى الباحثون نموذجاً رقمياً مبسطاً لشريحة PtBi2، مع التركيز على الميزات الأساسية: مخاريط "وايل" الاثني عشر في الكتلة، ومخاريط "مايورانا" الستة التي تظهر على كل من السطحين عندما تصبح فائقة التوصيل. وفي محاكاتهم، اكتشفوا أن سمك الشريحة يعمل كـ "مقبض تحكم" قوي. فعندما تكون الشريحة سميكة، يكون السطحان متباعدين، وتظل المخاريط المعدنية في المنتصف نشطة. ولكن، مع ترقيق الشريحة لتصل إلى بضع طبقات ذرية فقط، يبدأ السطحان في التفاعل. ويؤدي هذا التفاعل إلى فتح فجوة في المخاريط المعدنية في الكتلة، مما يؤدي فعلياً إلى إيقاف تشغيل المعدن في المركز وترك الحالات السطحية فقط كلاعبين نشطين. وهذا يخلق نظاماً شبه ثنائي الأبعاد تهيمن فيه فيزياء الأسطح فائقة التوصية.

بعد إسكات الكتلة، استقصى الفريق كيفية التحكم في الحالات السطحية المتبقية. وحددوا قوتين متنافستين تحددان ما إذا كانت المادة مثيرة للاهتمام من الناحية الطوبولوجية أم مجرد مادة عادية. القوة الأولى هي الارتباط الطبيعي بين مخاريط مايورانا على السطح العلوي وتلك الموجودة على السطح السفلي. ولأن هذه المخاريط تمتلك خصائص متضادة، فعندما تقترب بما يكفي، يمكنها أن تتحد وتلغي بعضها البعض، مما يخلق فجوة بدائية من الناحية الطوبولوجية. وهذا يعني أن المادة ستفقد خصائصها الحمائية الخاصة. أما القوة الثانية فهي مجال مغناطيسي خارجي يُطبق بشكل عمودي على الشريحة. هذا المجال يكسر التماثل الذي يحمي المخاريط، ولكن بطريقة تفتح فجوة غير بدائية من الناحية الطوبولوجية. ووجد الباحثون أن النتيجة تعتمد على التوازن بين هاتين القوتين. فإذا كان الارتباط الطبيعي قوياً جداً، تصبح المادة عادية. ولكن إذا كان المجال المغناطيسي قوياً بما يكفي للتغلب على هذا الارتباط، فإن المادة تدخل في طور جديد يُعرف باسم "الموصل الفائق من نوع تشيرن" (Chern superconductor).

في طور الموصل الفائق من نوع تشيرن هذا، تظهر المادة خاصية مذهلة: فهي تستضيف ست قنوات منفصلة أحادية الاتجاه للتيار تتدفق على طول حوافها. هذه هي "أنماط حافة مايورانا الكيرالية" (chiral Majorana edge modes)، وهي الجسيمات ذاتها التي يأمل العلماء في استخدامها للحوسبة الكمومية. وأظهرت الدراسة أن سلوك قنوات الحافة هذه ليس موحداً؛ فهو يعتمد بشدة على أي حافة من المادة يتم مراقبتها. وقد رسم الباحثون خريطة للنظام بأكم، ووجدوا أن عرض قنوات الحافة هذه يتغير اعتماداً على اتجاه الحافة بالنسبة للبنية الداخلية للمادة. ففي بعض الحواف، تكون القنوات محصورة بإحكام، بينما في حواف أخرى، تنتشر بشكل أكبر. وهذا التباين هو نتيجة مباشرة لكيفية إسقاط الحالات السطحية على الحافة، وهو تفصيل قد يكون حاسماً لتصميم الأجهزة المستقبلية.

كما استكشف الفريق كيفية التحكم في المادة للوصول إلى هذه الحالة المنشودة. وأوضحوا أنه من خلال ضبط "الجهد الكيميائي" على السطح -أي تغيير كثافة الإلكترونات عبر التطعيم أو البوابة- يمكنهم إزاحة موقع مخاريط مايورانا في فضاء الزخم. وتغير هذه الإزاحة مدى قوة التفاعل بين المخاريط العلوية والسفلية. ومن خلال ضبط جهد السطح بعناية وتطبيق مجال مغناطيسي، من الممكن التنقل بالمادة عبر أطوار مختلفة، والانتقال من حالة بدائية إلى حالة "تشيرن" الطوبولوجية. وتشير عمليات المحاكاة إلى أنه بالنسبة لشريحة ذات سمك محدد، توجد منطقة واضحة يكون فيها الطور الطوبولوجي مستقراً، محاطة بمناطق تكون فيها المادة إما بدائية أو عديمة الفجوة.

يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة للتجريبيين العاملين على مادة PtBi2. فهو يشير إلى أن مجرد نمو بلورة رقيقة بما يكفي قد يكون كافياً لعزل الحالات السطحية الطوبولوجية. علاوة على ذلك، فإنه يشير إلى أن تطبيق مجال مغناطيسي أو ضبط كيمياء السطح يمكن أن يحول المادة إلى الطور الطوبولوجي المطلوب. ويحذر الباحثون من أن نموذجهم هو تمثيل مبسط، وأن المواد الحقيقية تحتوي على تعقيدات إضافية، مثل حالات إلكترونية أخرى قد تتداخل. ومع ذلك، تظل النتيجة الجوهرية قوية: إن التفاعل بين سمك الشريحة، وجهد السطح، والمجالات المغناطيسية يوفر طريقة قابلة للضبط للوصول إلى حالة من المادة تستضيف قنوات كمومية أحادية الاتجاه ومحمية. وإذا ثبتت صحة هذه التوقعات في المختبر، فقد تصبح مادة PtBi2 منصة عملية لتحقيق البتات الكمومية المستقرة اللازمة للجيل القادم من الحوسبة، وكل ذلك دون الحاجة إلى الهياكل المتغايرة المعقدة التي كانت مطلوبة حتى الآن.